“龍蛋”機器人可以用前所未有的詳細數據幫助科學家研究這壹劇烈的自然過程，但對於布裏斯托大學的材料科學家湯姆·斯科特來說，火山探索只是壹個開始。在過去的幾年裏，斯科特教授和壹小群合作者壹直在開發升級版的“龍蛋”核電池，這種電池可以持續數千年，無需充電或更換。與大多數現代電子產品中通過化學反應發電的電池不同，布裏斯托爾大學研究的電池收集放射性鉆石噴射出的粒子，這些粒子可以由經過改造的核廢料制成。
本月早些時候，斯科特和他的合作者尼爾·福克斯(來自布裏斯托爾大學的化學家)成立了壹家名為“Arkenlight”的公司，旨在將他們的核鉆石電池商業化。雖然這種指甲大小的電池還處於原型階段，但與現有的核電池相比，它已經顯示出效率和功率密度的提高。壹旦斯科特教授和他的Arkenlight團隊完善了他們的設計，他們將建立壹個大規模生產的測試設施。該公司計劃在2024年前將第壹批商用核電池投放市場——但我們不指望在筆記本電腦中找到它們。
傳統的化學電池或“壹次電池”，如智能手機中的鋰離子電池或遙控器中的堿性電池，可以在短時間內釋放大量的電量。鋰離子電池不充電只能工作幾個小時，使用幾年後充電能力會急劇下降。相比之下，核電池或β電池(β伏打電池，壹種將放射性β輻射轉化為電流的電池)是壹種可以長時間持續產生少量電力的電池。它們產生的電力不足以驅動智能手機，但根據它們使用的核材料，它們可以為小型設備提供數千年的穩定電力輸出。
“那麽，我們可以用核電池為電動汽車提供動力嗎？答案是——不”，Arkenlight首席執行官摩根·博德曼(Morgan Boardman)表示，要為這種耗能的東西供電，就意味著“電池的‘質量’將需要明顯大於車輛的‘質量’”。相反，該公司正在尋找幾乎不可能或不可能定期更換電池的應用(也可以說是壹次性的長期應用產品方向)，如核廢料儲存庫和衛星上偏遠或危險地方的傳感器。Boardman還看到了更貼近我們生活的應用，例如將該公司的核電池用於起搏器或可穿戴設備。他設想了壹個未來，人們將保留電池並更換設備，而不是像現在這樣:在同壹設備上頻繁更換電池。“妳會在更換電池之前更換幾個火警報警器，因為電池的壽命已經遠遠超過這些設備了。”博德曼是這麽說的。
不出意外，大多數人肯定會抵制核電池，因為他們認為它會產生放射性物質，對身體有害。但從Betavoltaic電池的健康風險報告來看，可以與“出口標誌”的健康風險相提並論，它使用了壹種叫做“氚”的放射性物質來實現其標誌性的紅色熒光。與伽馬射線或其他更危險的輻射類型不同，β粒子只能通過幾毫米厚的防護層才能停止運行。太平洋西北國家實驗室的材料科學家蘭斯·哈伯德(Lance Hubbard)說:“通常情況下，電池壁足以防止任何泄漏。這使得核電池幾乎不含放射性物質，對人來說非常安全。”此外，他補充說，當核電池耗盡能量時，它會衰變到穩定狀態，這意味著內部沒有剩余的核廢料。
第壹代貝塔伏打電池出現在20世紀70年代，但直到最近，沒有人使用它們。它們最初用於心臟起搏器。在這種情況下，有缺陷的電源包可能意味著生死之差，直到它們最終被更便宜的鋰離子替代品取代。如今，小功率電子產品的普及，標誌著核電池進入了壹個新時代。“對於非常低功率的設備來說，這是壹個很好的電源選擇——我們談論的是微瓦，甚至皮瓦。”哈伯德認為:“物聯網促進了這些能源的復興。”
典型的貝塔伏打電池由夾在半導體之間的薄箔狀放射性材料層組成。它的發電原理是當核物質自然衰變時，會放出被稱為β粒子的高能電子或正電子，這些電子會將半導體材料中的電子散射，從而產生電流。從這個意義上說，核電池類似於太陽能電池板，只不過它的半導體吸收的是β粒子而不是光子。
像太陽能電池板壹樣，核能電池也有嚴格的能量限制。它們的功率密度將隨著輻射源遠離半導體而降低。因此，如果電池層的厚度超過幾微米，電池的功率就會急劇下降。此外，β粒子是隨機向各個方向發射的，這意味著只有壹小部分粒子會真正撞擊半導體，只有壹小部分會轉化為電能。至於核輻射電池能轉化成多少電能，哈伯德說，“目前7%左右的效率是最先進的。”
這是Arkenlight的“Betalight”伏安電池，它集成了壹個傳感器包。與碳-14電池不同，“Betalight”是壹種傳統的“三明治”核電池，由氚制成。
這與核電池的理論最大效率(約37%)相差甚遠。然而，這就是壹種稱為“碳-14”的放射性同位素可以有所幫助的地方。“碳-14”在放射性碳年代測定中起著最知名的作用，它使考古學家能夠估計古代文物的年齡，它還可以為核電池提供電力，因為它既可以用作放射源，也可以用作半導體。它的半衰期也是5700年，這意味著碳-14核電池原則上可以為電子設備提供比人類書面語言更長的時間。
斯科特和他的同事通過在壹個特殊的反應器中向氫等離子體中註入甲烷，培育出了人造“碳-14”鉆石。當氣體電離時，甲烷分解，碳-14聚集在反應器中的基底上，並開始在金剛石晶格中生長。然而，斯科特和他的同事們在傳統的“三明治”電池配置中使用了這種放射性鉆石，在這種配置中，放射源和半導體是離散的層。而且，他們申請了壹項專利，將碳-14直接註入實驗室設備來培育鉆石。用這種方法制成的鉆石與我們日常戒指上的鉆石相似。結果就是壹顆無縫結構的水晶鉆石，將β粒子的移動距離降到最低，將核電池的效率提升到最高。
“到目前為止，放射源已經與接收放射源並將其轉化為電能的二極管分離。”博德曼說:“這是壹個突破。”
當宇宙射線撞擊大氣中的氮原子時，“碳-14”自然形成，但它也作為壹種副產品產生在含有核反應堆控制棒的石墨塊中。這些團塊最終將成為核廢料。根據Boardman的說法，僅在英國就有將近6.5438億噸的輻照石墨。英國原子能機構最近從35噸受輻射的石墨塊中回收了氚，另壹種用於核電池的放射性同位素。Arkenlight的團隊正在與該機構合作開發壹種類似的工藝，從石墨塊中回收碳-14。
如果Arkenlight成功，它將為制造核電池提供幾乎取之不盡的原材料。根據英國AEA的數據，不到100磅(約45.36千克)的碳-14足以制造數百萬個核電池。此外，通過去除石墨塊中的放射性碳-14，它將從高放射性核廢料降級為低放射性核廢料，從而使其更容易處理，更安全地長期儲存。
目前，Arkenlight還沒有用改造後的核廢料制造出beta電池。博德曼表示，該公司的核鉆石電池需要在實驗室中進行數年的改進，才能投入使用。但是這項技術已經引起了太空和核工業的興趣。Boardman接著說，Arkenlight最近從歐洲航天局獲得了壹份合同，為他所謂的“衛星RFID標簽”開發鉆石電池，這種電池可以發出微弱的無線電信號，並連續識別衛星數千年。然而，他們的目光並沒有停留在核電池上。Arkenlight還在開發壹種伽馬射線電池，這種電池可以吸收核廢料倉庫發出的伽馬射線，並用它們來發電。
Arkenlight的伽馬伏特電池原型將把核廢料儲存庫中的伽馬射線轉化為電能。
Arkenlight並不是唯壹壹家研究核電池的公司。幾十年來，城市實驗室和Widetronix等美國公司壹直在開發測試電池。這些公司專註於更傳統的分層核電池，他們使用氚作為核動力源，而不是碳-14鉆石。
康乃爾大學電氣工程師、Widetronix聯合創始人邁克爾·斯潘塞表示，在選擇放射性材料時必須考慮它們的應用。例如，碳-14釋放的β粒子比氚少，但其半衰期卻長500倍。如果妳需要的東西能持續到永遠，這確實是它的優勢，但這也意味著碳-14核電池要提供同等電量，必須比氚電池大很多。"同位素的選擇會帶來許多權衡."斯潘塞說。
如果說核電池曾經是邊緣技術，現在似乎已經準備進入主流能源了。我們不壹定需要——或者希望——我們所有的電子產品都可以使用幾千年。但是當我們這樣做的時候，我們就有了壹個壹直工作的電池……也許我們的下壹代，下壹代，下壹代還能工作。
作者:GolevkaTech
參考示例:
堅持正確的策略
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堅持正